集成运算放大电路(2).ppt

第第4章章 集成运算放大电路集成运算放大电路1编辑ppt教学内容教学内容4.1集成电路概述集成电路概述4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3差动放大电路差动放大电路4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级4.5集成运放的典型电路集成运放的典型电路4.6集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标4.7 理想集成运算放大器及传输特性理想集成运算放大器及传输特性2编辑ppt教学目标教学目标掌握镜像电流源、比例电流源和微电流掌握镜像电流源、比例电流源和微电流源电路特点源电路特点掌握差动放大电路的组成特点和性能指掌握差动放大电路的组成特点和性能指标计算，标计算，理解集成运算放大器的典型结构，理解集成运算放大器的典型结构，掌握理想集成运算放大器的性能指标。掌握理想集成运算放大器的性能指标。3编辑ppt4.1集成电路概述集成电路概述集成电路集成电路，简称，简称IC（Integrated Circuit）。始于始于20世纪世纪60年代初期年代初期，集成电路按其功能可集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，集分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，集成运算放大器属于模拟集成电路中应用极为广成运算放大器属于模拟集成电路中应用极为广泛的一种，简称集成运放泛的一种，简称集成运放。4编辑ppt4.1.1 集成电路的特点集成电路的特点1、电路结构与元件参数具有对称性、电路结构与元件参数具有对称性2、用有源器件代替无源器件、用有源器件代替无源器件3、采用复合结构的电路、采用复合结构的电路4、外接部分分立元件、级间采用直接耦合方式、外接部分分立元件、级间采用直接耦合方式5、集成电路中使用的二极管，大多采用三极管的、集成电路中使用的二极管，大多采用三极管的结构，将发射极、基极和集电极适当配合使用。结构，将发射极、基极和集电极适当配合使用。与分立元件组成的放大电路相比，集成电路在电路与分立元件组成的放大电路相比，集成电路在电路设计上具有以下特点设计上具有以下特点：5编辑ppt4.1.2 4.1.2 集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成输入级输入级:多采用差分放大电路，利用差分放大电路的对多采用差分放大电路，利用差分放大电路的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比，减小温漂称特性可以提高整个电路的共模抑制比，减小温漂。中间级中间级:由一级或多级放大电路组成由一级或多级放大电路组成。输出级输出级:进行阻抗变换，以降低输出电阻，提高集成运进行阻抗变换，以降低输出电阻，提高集成运 放带负载的能力放带负载的能力。偏置电路偏置电路:多采用恒流源电路多采用恒流源电路。6编辑ppt4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源1.镜像电流源镜像电流源由图可：由于VT1与VT2结构和参数都比较一致，故可以认为，故，而当2时,图图4.1 4.1 镜像电流源镜像电流源7编辑ppt2.比例电流源比例电流源由图可知，由于 故即当1时，有即故由于所以图图4.2 4.2 比例电流源比例电流源 8编辑ppt3.微电流源微电流源由图可知由于二极管方程所以故设则有图图4.3 4.3 微电流源微电流源 9编辑ppt4.3差动放大电路差动放大电路4.3.1差分放大电路的常见形式差分放大电路的常见形式差分放大电路的常见形式有三种：基本形式、差分放大电路的常见形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。长尾式和恒流源式。图图4.4 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 图图4.5 基本形式差分放大电路基本形式差分放大电路10编辑ppt恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路4.3差动放大电路差动放大电路(b)恒流源式差分放大电路等效电路恒流源式差分放大电路等效电路(a)恒流源式差分放大电路电路恒流源式差分放大电路电路 图图4.611编辑ppt4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法 图图4.7 长尾式差分放大电路直流通路图长尾式差分放大电路直流通路图（a）（b）12编辑ppt1.静态分析静态分析由图可知4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法所以有由此得由于故13编辑ppt4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法2.差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路的输入信号有两种方式：差模信号输入和共差分放大电路的输入信号有两种方式：差模信号输入和共模信号输入。模信号输入。长尾式差分放大电路，在差模信号输入情况下电路如图图图4.8 长尾式差分放大电路的交流通路图长尾式差分放大电路的交流通路图14编辑ppt4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法2.差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路对差模信号的放大作用由图4.8可知，长尾式差分放大电路半电路的主要参数如下：对于双端输入对于双端输入/双端输出的差分放大电路，由于双端输出的差分放大电路，由于此时，差模电压放大倍数为此时，差模电压放大倍数为15编辑ppt4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法2.差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路对差模信号的放大作用差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻 双端输入双端输出差分放大电路的差模电压双端输入双端输出差分放大电路的差模电压放大倍数等于其半电路的电压放大倍数，即相当放大倍数等于其半电路的电压放大倍数，即相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。其差模输于一个单管共射放大电路的放大倍数。其差模输入电阻和输出电阻是半电路差模输入电阻和输出入电阻和输出电阻是半电路差模输入电阻和输出电阻的电阻的2倍。倍。16编辑ppt3.差分放大电路对共模信号的抑制作用差分放大电路对共模信号的抑制作用4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法在共模信号输入情况下，在共模信号输入情况下，当双端输入时，由于电路结构的当双端输入时，由于电路结构的对称性，两个晶体管的集电极电位大小相等，极性相同，对称性，两个晶体管的集电极电位大小相等，极性相同，即负载即负载RL两端电位相同，故两端电位相同，故流过负载流过负载RL的电流为零的电流为零。衡量差分放大电路抑制共模信号能力的参数称为共模抑制衡量差分放大电路抑制共模信号能力的参数称为共模抑制比比，用，用KCMR表示，其定义为差模电压放大倍数与共模电表示，其定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用分贝表示，即：压放大倍数之比，一般用分贝表示，即：结论：结论：差分放大电路差分放大电路具有具有抑制零点漂移的抑制零点漂移的作用。作用。17编辑ppt4.3.2 差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法4.对任意输入信号的放大特性对任意输入信号的放大特性如果在差分放大电路的两个输入端分别加上任大小、如果在差分放大电路的两个输入端分别加上任大小、任意极性的输入电压任意极性的输入电压ui1和和ui2，这时可以将他们认为是，这时可以将他们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合，其中某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合，其中差模输入电压差模输入电压uid和共模输入电压和共模输入电压uic的值分别为的值分别为当用共模和差模信号表示两个输入电压时，有当用共模和差模信号表示两个输入电压时，有18编辑ppt例例4.1：电路如图例电路如图例4.1所示所示,设设VCC=VEE=12V,三极三极管的管的1=2=50,Rc1=Rc2=Rc=30k,RW=500,Re=27k,R1=R2=R=10k,设设RW滑动变阻器的滑滑动变阻器的滑动端调至在中点位置。动端调至在中点位置。(1)估算该放大电路估算该放大电路的静态工作点。的静态工作点。(2)当在输出端接当在输出端接RL=20k的负载的负载时时,求差模电压求差模电压放大倍数。放大倍数。(3)估算差模输入估算差模输入电阻和输出电阻。电阻和输出电阻。图图4.9 例例4.1的图的图19编辑ppt解：解：(1)求解静态工作点：求解静态工作点：设设UBE=0.7V，则有，则有故故20编辑ppt(2)当在输出端接当在输出端接RL=20k的负载时的负载时,图图4.9所示电路图的所示电路图的交流通路图如图交流通路图如图4.10所示。所示。图图4.10 图图4.9所示电路交流通路图所示电路交流通路图 由图由图4.10可知，电路的可知，电路的差模电压差模电压放大倍数为放大倍数为:式中式中则则21编辑ppt(3)输入输出电阻输入输出电阻22编辑ppt例例4.2一个双端输入，双端输出的差分放大电路，两个输入端的电压分别为 求差模输入信号电压 和共模输入电压 ；设差模电压增益 为80dB，求当共模抑制比为无穷大和 100dB 时的输出电压 各为多少？解：解：(1)差模输入电压和共模输入电压差模输入电压和共模输入电压23编辑ppt(2)输出电压当 时则输出电压为：当 时则输出电压为：24编辑ppt4.3.3差分放大电路的几种接法差分放大电路的几种接法差分放大电路的输入输出端可以有四种不同的接法，差分放大电路的输入输出端可以有四种不同的接法，即即双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。双端输出；单端输入、单端输出。25编辑ppt4.3.3差分放大电路的几种接法差分放大电路的几种接法图图4.11 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法26编辑ppt4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级1.集成运算放大器的中间级集成运算放大器的中间级中间级的主要任务是为整个电路提供足够大的电中间级的主要任务是为整个电路提供足够大的电压放大倍数。压放大倍数。一般采用有源负载的共射放大电路。为了提高放一般采用有源负载的共射放大电路。为了提高放大倍数，并减小对输入级的影响，放大管往往采大倍数，并减小对输入级的影响，放大管往往采用复合管。用复合管。有源负载是指利用双极型三极管或场效应管充有源负载是指利用双极型三极管或场效应管充当负载电阻。当负载电阻。27编辑ppt例例4.3 电路如图4.12所示,设VCC=VEE=12V,1=2=50,Rc1=Rc2=100k,RW=200,R3=33k,R2=6.8k,R1=2.2k,Rs1=Rs2=10k，设RW滑动变阻器的滑动端调至在中点位置。(1)求静态工作点。(2)求差模电压放大倍数。(3)当RL=100k时,求差模电压放大倍数。(4)若输出端从VT1管集电极输出,求差模电压放大倍数。图图4.12 题题4.3电路图电路图28编辑ppt解：解：(1)静态工作点静态工作点:设UBE3=0.7V,则（所以一般估算时（所以一般估算时,认为认为UB0。）。）29编辑ppt(2)差模电压放大倍数差模电压放大倍数:其中(3)当当RL=100 k时：时：30编辑ppt其中其中故故 (4)当单端输出时当单端输出时(从从V1管管c1极输出极输出):31编辑ppt4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级1.集成运算放大器的中间级集成运算放大器的中间级-复合管图图4.13复合管及其等效类型复合管及其等效类型32编辑ppt2.集成运算放大器的输出级集成运算放大器的输出级4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级集成运放的输出级主要是提供足够的输出功率集成运放的输出级主要是提供足够的输出功率以满足负载的需求，多采用互补电路。以满足负载的需求，多采用互补电路。图图4.14 互补型射随器互补型射随器图图4.15 交越失真产生的原因及波形交越失真产生的原因及波形33编辑ppt2.集成运算放大器的输出级集成运算放大器的输出级4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级 图图4.16 克服交越失真的互补电路克服交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式二极管偏置方式 (b)模拟电压源偏置方模拟电压源偏置方式式 34编辑ppt4.5集成运放的典型电路集成运放的典型电路图图4.17通用的集成电路通用的集成电路F007电路原理图电路原理图35编辑ppt4.6集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标1.运算放大器的符号运算放大器的符号图图4.18 运算放大器的符号运算放大器的符号36编辑ppt2.运算放大器的性能指标运算放大器的性能指标4.6集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod:指集成运放在无外加反馈指集成运放在无外加反馈 回路的情况下的差模电压放大倍数回路的情况下的差模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻rid和和输出电阻输出电阻ro共模抑制比共模抑制比KCMR输入失调电压温漂和输入失调电流温漂输入失调电压温漂和输入失调电流温漂输入失调电压输入失调电压UIO和输入失调电流输入失调电流IIO最大差模输入电压最大差模输入电压Uid max和和最大共模输入电压最大共模输入电压U ic max输入偏置电流输入偏置电流IIB 37编辑ppt4.7 理想集成运算放大器及传输特性理想集成运算放大器及传输特性1.理想集成运算放大器的概念理想集成运算放大器的概念 理想集成运算放大器简称理想运放理想集成运算放大器简称理想运放，可以认为是实际，可以认为是实际运放的理想模型，运放的理想模型，就是将集成运放的各项指标理想化就是将集成运放的各项指标理想化，即，即认为集成运放的各项指标如下：认为集成运放的各项指标如下：(1)开环差模电压增益开环差模电压增益Aod=；(2)差模输入电阻差模输入电阻rid=；(3)输出电阻输出电阻ro=0；(4)共模抑制比共模抑制比KCMR=；(5)失调电压失调电压UIO,失调电流失调电流IIO，以及它们的温度系数均为，以及它们的温度系数均为0；(6)转换速率转换速率SR=；(7)-3dB带宽带宽fh=；(8)干扰或噪声均为干扰或噪声均为 0。38编辑ppt2.理想运放的特性理想运放的特性-线性区线性区4.7 理想集成运算放大器及传输特性理想集成运算放大器及传输特性图图4.19 理想运放理想运放工作在线性区工作在线性区的的特点特点（a）“虚短虚短”示意图示意图 （b）“虚断虚断”示意图示意图39编辑ppt4.7 理想集成运算放大器及传输特性理想集成运算放大器及传输特性2.理想运放的特性理想运放的特性-非线性区非线性区图图4.20 集成运放的传输特性集成运放的传输特性40编辑ppt